冲压模具教案冲压模具概述

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流.....精品文档......冲压模具教案冲压模具概述绪论一、冲压的概念1、冲压冲压：在室温下，利用安装在压力机上的模具对被冲材料施加一定的压力，使之产生分离和塑性变形，从而获得所需要形状和尺寸的零件（也称制件）的一种加工。因为通常使用的材料为板料，故也常称为板料冲压。冲压成形产品示例一——日常用品：易拉罐、餐盘、垫圈等。冲压成形产品示例二——兵器产品：子弹壳等。冲压成形产品示例三——高科技产品：汽车覆盖件、飞机蒙皮等。2、冲模冲压模具：将材料加工成所需冲压件的一种工艺装备，称为冲压模具（俗称冲模）3、冲压生产的三要素：冲压生产的三要素：合理的冲压工艺、先进的模具、高效的冲压设备1.2冲压加工特点与应用4、冲压加工的特点（1）生产率高、操作简单。高速冲床每分钟可生产数百件、上千件。（2）一般无需进行切削加工，节约原料、节省能源。（3）冲压件的尺寸公差由冲模来保证，产品尺寸稳定、互换性好。“一模一样”（4）冲压产品壁薄、量轻、刚度好，可以加工形状复杂的小到钟表、大到汽车纵梁、覆盖件等。局限性：由于冲模制造是单件小批量生产，精度高，是技术密集型产品，制造成本高。因此，冲压生产只适应大批量生产。据不完全统计，冲压件在汽车、拖拉机行业中约占60%，在电子工业中约占85%，而在日用五金产品中占到约90%。如一辆新型轿车投产需配套2000副以上各类专用模具；一台冰箱投产需配套350副以上各类专用模具.三、冲压技术的现状与发展趋势1、我国冲压技术的历史与现状2、冲压技术的发展趋势 （1）冲压工艺方面为了提高生产率和产品质量，降低成本和扩大冲压工艺的应用范围，研究（2）冲模设计与制造方面在冲模设计与制造上，有两种趋向应给予足够的重视。 ①模具结构与精度正朝着两个方向发展 一方面为了适用高速、自动、精密、安全等大批量自动化生产的需要，冲模正向高效、精密、长寿命、多工位、多功能方向发展。另一方面，为适用市场上产品更新换代迅速的要求、各种快速成形方法和简易经济冲模的设计与制造也得到迅速发展。         ②模具设计与制造的现代化 目前，最为突出的是模具CAD/CAE/CAM。在这个方面，国际上已有许多应用成熟的计算机软件。我国不但能消化、应用国外的软件，不少单位还自行（3）冲压设备及冲压自动化方面（4）冲压基本原理的研究第一章冷冲压加工概述与冲压设备第一节冷冲压加工概述冲压加工概况冷冲压概念冷冲压是在室温下，利用安装在压力机上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需冲件的一种压力加工方法。冷冲压加工实施条件：压力机、模具、材料性能冷冲压加工的性质：压力加工授课要点：比较压力加工与切削加工；举例说明冷冲压加工的条件和性质（例子为脸盆的生产）冷冲压加工的特点优点：1）冷冲压加工属于少、无废料加工，省能、低耗、高效所以冲件的成本低。2）质量稳定、互换性好。3）适于加工壁薄、重量轻、形状复杂、表面质量好、刚性好的零件。4）操作简单、生产效率高，对操作工人的技术要求低。缺点：1）生产环境差、噪音大、危险性高。2）生产零件精度较低，经济精度等级为IT11~IT14。冷冲压加工的应用：应用广泛，但要求有一定的批量性。二、冲压工序的分类1.分离工序分离工序是指坯料在模具刃口作用下，沿一定的轮廓线分离而获得冲件的加工方法。主要包括落料、冲孔、分离等。2.成形工序成形工序是指坯料在模具压力作用下，使坯料产生塑性变形，但不产生分离而获得的具有一定形状和尺寸的冲件的加工方法。主要有弯曲、拉深、翻边等。三、冲模简介1.模具的分类简单模（单工序模）：在压力机的一次行程中，只能完成一道冲压工序的模具。单工序、单工位级进模（连续模）：在压力机的一次行程中，在模具的不同工位上同时完成多道工序的模具。多工序、多工位复合模：在压力机的一次行程中，在模具的同一工位上同时完成多道工序的模具。多工序、单工位例：垫圈的生产使用简单模生产，需要两套模具——落料模、冲孔模。使用级进模生产，需要一套模具——在模具的第一个位置上冲孔，第二个位置上落料。使用复合模生产，需要一套模具——在模具的同一个位置上同时完成落料和冲孔工序。2.模具组成零件简介工作零件：对材料直接施加压力，完成冲压工作的零件。主要包括凸模、凹模和凸凹模。定位零件：用以确定坯料在模具中的正确位置。卸料与出件零件：用于保障模具的连续动作所需的辅助装置。导向零件：保证上模与下模之间的相对位置。支撑、紧固与连接零件：完成模具个零件的相互连接与稳固定位用垫片落料模1-下模座2-螺钉3-凹模4-导料销5-橡胶6-导套7-凸模固定板8-上模座9-卸料螺钉10-模柄11-横销12-防转销13-螺钉14-垫板15-凸模16-导柱17-卸料版18-螺钉第二节冲压设备冲压设备属锻压机械。常见冷冲压设备有机械压力机（以Jxx表示其型号）和液压机（以Yxx表示其型号）。 冲压设备分类：1.机械压力机按驱动滑块机构的种类可分为曲柄式和摩擦式;2.按滑块个数可分为单动和双动;3.按床身结构形式可分为开式（C型床身）和闭式（Ⅱ型床身）; 4.按自动化程度可分为普通压力机和高速压力机等。一、压力机简介机械压力机：曲柄压力机、摩擦压力机等1.压力机的分类液压机专用设备：折弯机、弯管机等2.曲柄压力机基本原理冲压设备的选用一、压力机类型的选择(1）中、小型冲压件选用开式机械压力机；(2）大、中型冲压件选用双柱闭式机械压力机；(3）导板模或要求导套不离开导柱的模具，选用偏心压力机；形模等。(4）大量生产的冲压件选用高速压力机或多工位自动压力机；(5）校平、整形和温热挤压工序选用摩擦压力机；(6）薄板冲裁、精密冲裁选用刚度高的精密压力机；(7）大型、形状复杂的拉深件选用双动或三动压力机；(8）小批量生产中的大型厚板件的成形工序，多采用液压压力机二、压力机规格的选择(1）公称压力压力机滑块下滑过程中的冲击力就是压力机的压力。压力的大小随滑块下滑的位置不同，也就是随曲柄旋转的角度不同而不同，如图1.2.4中曲线Ｉ所示。压力机的公称压力----我国规定滑块下滑到距下极点某一特定的距离Sp（此距离称为公称压力行程，随压力机不同此距离也不同，如JC23-40规定为7mm,JA31-400规定为13mm，一般约为（0.05～0.07）滑块行程）或曲柄旋转到距下极点某一特定角度α（此角度称为公称压力角，随压力机不同公称压力角也不相同）时，所产生的冲击力称为压力机的公称压力。公称压力的大小，表示压力机本身能够承受冲击的大小。压力机的强度和刚性就是按公称压力进行设计的。压力机的公称压力与实际所需冲压力的关系----冲压工序中冲压力的大小也是随凸模（或压力机滑块）的行程而变化的。在图1.2.4中曲线2、3分别表示冲裁、拉深的实际冲压力曲线。从图中可以看出两种实际冲压力曲线不同步，与压力机许用压力曲线也不同步。在冲压过程中，凸模在任何位置所需的冲压力应小于压力机在该位置所发出的冲压力。图中，最大拉深力虽然小于压力机的最大公称压力，但大于曲柄旋转到最大拉深力位置时压力机所发出的冲压力，也就是拉深冲压力曲线不在压力机许用压力曲线范围内。故应选用比图中曲线1所示压力更大吨位的压力机。因此为保证冲压力足够，一般冲裁、弯曲时压力机的吨位应比计算的冲压力大30%左右。拉深时压力机吨位应比计算出的拉深力大60%～100%。(2）滑块行程长度滑块行程长度是指曲柄旋转一周滑块所移动的距离，其值为曲柄半径的两倍。选择压力机时，滑块行程长度应保证毛坯能顺利地放入模具和冲压件能顺利地从模具中取出。特别是成形拉深件和弯曲件应使滑块行程长度大于制件高度的2.5～3.0倍。(3）行程次数行程次数即滑块每分钟冲击次数。应根据材料的变形要求和生产率来考虑。(4）工作台面尺寸工作台面长、宽尺寸应大于模具下模座尺寸，并每边留出60～100mm，以便于安装固定模具用的螺栓、垫铁和压板。当制件或废料需下落时，工作台面孔尺寸必须大于下落件的尺寸。对有弹顶装置的模具，工作台面孔尺寸还应大于下弹顶装置的外形尺寸。(5）滑块模柄孔尺寸模柄孔直径要与模柄直径相符，模柄孔的深度应大于模柄的长度。(6）闭合高度压力机的闭合高度----是指滑块在下止点时，滑块底面到工作台上平面（即垫板下平面）之间的距离。压力机的闭合高度可通过调节连杆长度在一定范围内变化。当连杆调至最短（对偏心压力机的行程应调到最小），滑块底面到工作台上平面之间的距离，为压力机的最大闭合高度；当连杆调至最长（对偏心压力机的行程应调到最大），滑块处于下止点，滑块底面到工作台上平面之间的距离，为压力机的最小闭合高度。压力机的装模高度----指压力机的闭合高度减去垫板厚度的差值。没有垫板的压力机，其装模高度等于压力机的闭合高度。模具的闭合高度是指冲模在最低工作位置时，上模座上平面至下模座下平面之间的距离。模具闭合高度与压力机装模高度的关系，见图1.2.5。第一节塑性变形理论基础一、影响金属塑性和变形抗力的因素1、塑性变形、塑性与变形抗力的概念塑性变形：物体在外力作用下会产生变形，若外力去除以后，物体并不能完全恢复自己的原有形状和尺寸；塑性：物体具有塑性变形的能力称为塑性，塑性的好坏用塑性指标来评定。塑性指标是以材料开始破坏时的变形量表示，它可借助于各种试验方法测定。变形抗力：在一定的变形条件（加载状况、变形温度及速度）下，引起物体塑性变形的单位变形力。变形抗力反映了物体在外力作用下抵抗塑性变形的能力。塑性和变形抗力是两个不同的概念。通常说某种材料的塑性好坏是指受力后临近破坏时的变形程度的大小，而变形抗力是从力的角度反映塑性变形的难易程度。如奥氏体不锈钢允许的塑性变形程度大，说明它的塑性好，但其变形抗力也大，说明它需要较大的外力才能产生塑性变形。2、塑性变形对金属组织和性能的影响金属受外力作用产生塑性变形后，不仅形状和尺寸发生变化，而且其内部组织和性能也将发生变化，这些变化可以归纳为以下四个方面：(1)形成了纤维组织 (2)形成了亚组织 (3)产生了内应力(4)产生了加工硬化3、影响金属塑性及变形抗力的因素金属的塑性不是固定不变的，影响因素很多，主要有以下几个方面：(1)金属的成分和组织结构 一般来说，组成金属的元素越少(如纯金属和固熔体)、晶粒愈细小、组织分布愈均匀，则金属的塑性愈好。(2)变形时的应力状态 金属变形时，压应力的成分愈多，金属愈不易破坏，其可塑性也就愈好。与此相反，拉应力则易于扩展材料的裂纹与缺陷，所以拉应力的成分愈大，愈不利于金属可塑性的发挥。(3)变形温度 变形温度对金属的塑性有重大影响。就大多数金属而言，其总的趋势是：随着温度的升高，塑性增加，变形抗力降低（金属的软化）。(4)变形速度 变形速度是指单位时间内应变的变化量，但在冲压生产中不便控制和计量，故以压力机滑块的移动速度来近似反映金属的变形速度。   一般情况下：对于小型件的冲压，一般可以不考虑速度因素，只需考虑设备的类型、标称压力和功率等；对于大型复杂件，宜采用低速成形（如采用液压机或低速压力机冲压）。另外，对于加热成形工序，变形速度比较敏感的材料（如不锈钢、耐热合金、钛合金等），也宜低速成形。(5)尺寸因素 同一种材料，在其他条件相同的情况下，尺寸越大，塑性越差。这是因为材料尺寸越大，组织和化学成分越不一致，杂质分布越不均匀，应力分布也不均匀。例如厚板冲裁时，产生剪裂纹时凸模挤入板料的深度与板料厚度的比值(称为相对挤入深度)比薄板冲裁时小。二、塑性变形时的体积不变定律在冲压过程中，材料的塑性变形都是模具对材料施加的外力所引起的内力或内力直接作用的结果。一定的力的作用方式和大小都对应着一定的变形，所以为了研究和金属材料的变形性质和变形规律，控制变形的发展，就必须了解材料内各点的应力与应变状态以及它们之间的相互关系。即                          ε1+ε2+ε3=0                      (2-1)这就是塑性变形时的体积不变定律，它反映了三个主应变之间的数值关系。根据体积不变定律，可以得出如下结论：①塑性变形时，物体只有形状和尺寸发生变化，而体积保持不变。②不论应变状态如何，其中必有一个主应变的符号与其他两个主应变的符号相反，这个主应变的绝对值最大，称为最大主应变。③当已知两个主应变数值时，便可算出第三个主应变。④任何一种物体的塑性变形方式只有三种，与此相应的主应变状态图也只有三种，如图1-1所示。三、塑性条件(屈服条件)决定受力物体内质点由弹性状态向塑性状态过渡的条件，称为塑性条件或屈服条件。金属由弹性变形过渡到塑性变形，主要取决于在一定变形条件(变形温度与变形速度)下金属的物理力学性质和所处的应力状态。一般来说，在材料性质和变形条件一定的情况下，塑性条件主要决定于物体的应力状态。当物体内某点处于单向应力状态时，只要该向应力σ1达到材料的屈服点σs，该点就开始屈服，由弹性状态进入塑性状态，即此时的塑性条件是σ1≥σs。但是对复杂应力状态，就不能仅仅根据一个应力分量来判断该点是否已经屈服，而要同时考虑其他应力分量的作用。只有当各个应力分量之间符合一定关系时，该点才开始屈服。   法国工程师屈雷斯加(H·Tresca)通过对金属挤压的研究，于1864年提出：在一定的变形条件下，当材料中的最大切应力达到某一定值时，材料就开始屈服。并通过单向拉压等简单的试验，该定值就是材料屈服点应力值σs的一半，即σs/2。设σ1≥σ2≥σ3，则屈雷斯加屈服条件可表达为：τmax=或σ1-σ3=σs(2-2)屈雷斯加屈服条件又称最大切应力理论。该条件公式简单，在事先知道主应力大小的情况下使用很方便。但该条件显然忽略了中间主应力σ2的影响，实际上在一般三向应力状态下，σ2对于材料的屈服也是有影响的。德国力学家密席斯(VonMises)于1913年在对屈雷斯加条件加以修正的基础上提出：在一定的变形条件下，无论变形物体所处的应力状态如何，只要其三个主应力的组合满足一定条件，材料便开始屈服。该条件为：(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2 =2σs2        (2-3)密席斯屈服条件又称常量形变能量理论。因密席斯条件考虑了中间主应力σ2的影响，实践证明，对于大多数金属材料(特别是韧性材料)来说，应用密席斯屈服条件更符合实际情况。密席斯屈服条件虽然在数学表达方法上比较完善，但在方程中同时包含了全部应力分量，实际运算比较繁锁。为了使用上的方便，可将密席斯屈服条件改写成如下简单形式：σ1-σ3=βσs                         (2-4)式中，β为反映中间主应力σ2影响的系数，其范围为1～1.155，具体取值见表。由表可知，在单向应力叠加三向等应力状态下，β=1，密席斯屈服条件与屈雷斯加屈服条件是一致的；在平面应变状态下，两个屈服条件相差最大，为15.5%。四、塑性变形时应力与应变的关系物体弹性变形时，应力和应变之间的关系可以通过广义虎克定律来表示。但物体进入塑性变形以后，其应力与应变的关系就不同了。在单向受拉或受压时，应力与应变关系可用硬化曲线来表示，然而在受到双向或三向应力作用时，变形区的应力与应变关系相当复杂。经研究，当采用简单加载(加载过程中只加载不卸载，且应力分量之间按一定比例递增)时，塑性变形的每一瞬间，主应力与主应变之间存在下列关系：           (2-4)式中，C为非负数的比例常数。在一定的条件下，C只与材料性质及变形程度有关，而与物体所处的应力状态无关，故C值可用单向拉伸试验求出。式(1-12)也可表示为：           (2-5)上述物理方程又称为塑性变形时的全量理论，它是在简单加载条件下获得的，通常用于研究小变形问。但对于冲压成形中非简单加载的大变形问题，只要变形过程中是加载，主轴方向变化不大，主轴次序基本不变，实践表明，应用全量理论也不会引起太大的误差。全量理论是冲压成形中各种工艺参数计算的基础，而且利用全量理论还可以对有些变形过程中坯料的变形和应力的性质作出定性的分析和判断，例如：①由式(1-13)可知，判断某方向的主应变是伸长还是缩短，并不是看该方向是受拉应力还是受压应力，而是要看该方向应力值与平均应力σm的差值。差值为正时是拉应变，为负时是压应变。②若σ1=σ2=σ3=σm,由式(1-13)可知，ε1=ε2=ε3=0，这说明在三向等拉或等压的球应力状态下，坯料不产生任何塑性变形(但有微小的体积弹性变化)。③由式(1-12)可知，三个主应力分量和三个主应变分量代数值的大小、次序互相对应，即若σ1≥σ2≥σ3，则有ε1≥ε2≥ε3。④当坯料单向受拉时，即σ1＞0、σ2=σ3=0时，因为σ1-σm=σ1-σ1/3＞0，由式(1-13)可知ε1＞0，ε2=ε3=-ε1/2。这说明在单向受拉时，拉应力作用方向为伸长变形，另外两个方向则为等量的压缩变形，且伸长变形为每一个压缩变形的2倍。如翻孔时，坯料孔边缘的变形就属于这种情况。同样，当坯料单向受压时，压应力作用方向上为压缩变形，另外两方向为等量的伸长变形，且压缩变形为每一个伸长变形的2倍。如缩口、拉深时，坯料边缘的变形即属于此种情况。⑤坯料受双向等拉的平面应力作用，即σ1=σ2＞0、σ3=0时，由式(1-13)可知，ε1=ε2=-ε3/2。这说明当坯料受双向等拉的平面应力作用时，在两个拉应力作用的方向为等量的伸长变形，而在另一个没有主应力作用的方向为压缩变形，其值为每个伸长变形的2倍。平板坯料胀形时的中心部位就属于这种情况。⑥由式(1-13)可知，当σ2-σm=0时，必有ε2=0，根据体积不变定律，则有ε1=-ε3。这说明在主应力等于平均应力的方向上不产生塑性变形，而另外两个方向上的塑性变形数值相等、方向相反。这种变形称为平面变形，且平面变形时必有σ2=σm=(σ1+σ2+σ3)/3，即σ2=(σ1+σ3)/2。如宽板弯曲时，板料宽度方向变形为0，该方向上的主应力即为其余两个方向主应力之和的一半。⑦当坯料三向受拉，且σ1＞σ2＞σ3＞0时，在最大拉应力σ1方向上的变形一定是伸长变形，在最小拉应力σ3方向上的变形一定是压缩变形。同样，当坯料三向受压，且0＞σ1＞σ2＞σ3时，在最小压应力σ3(绝对值最大)方向上的变形一定是压缩变形，而在最大压应力σ1(绝对值最小)方向上的变形一定是伸长变形。五、加工硬化与硬化曲线1.硬化现象与硬化曲线加工硬化：一般常用的金属材料，随着塑性变形程度的增加，其强度、硬度和变形抗力逐渐增加，而塑性和韧性逐渐降低。图2-2 金属的应力一应变曲线材料的硬化规律可以用硬化曲线来表示。硬化曲线实际上就是材料变形时的应力随应变变化的曲线，可以通过拉伸、压缩或胀形试验等多种方法求得。图1-2所示为拉伸试验时获得的两条应力一应变曲线，其中曲线1的应力是以各加载瞬间的载荷F与该瞬间试件的截面面积A之比F/A来表示的，它考虑了变形过程中材料截面积的变化，真实反映了硬化规律，故称之为实际应力曲线(又称硬化曲线或变形抗力曲线)。曲线2的应力是按各加载瞬间的截荷F与变形前试样的原始截面积A0之比F/A0来表示的，它没有考虑变形过程中材料截面积的变化，因此应力F/A0并不能反应材料在各变形瞬间的真实应力，所以称之为假象应力曲线。1—实际应力曲线   2—假象应力曲线σs—屈服点应力  σj(σb)—缩颈点应力  σd—断裂点应力硬化指数n(又称n值)是表明材料塑性变形时硬化性能的重要参数。n值大时，表示变形过程中材料的变形抗力随变形程度的增加而迅速增大，因而对板料的冲压成形性能及冲压件的质量都有较大的影响。2.卸载规律与反载软化现象硬化曲线(实际应力—应变曲线)反映了单向拉伸加载时材料的应力与应变(或变形抗力与变形程度)之间的变化规律。如果加载一定程度时卸载，这时应力与应变之间如何变化呢？如图所示，拉伸变形在弹性范围内的应力与应变是线性关系，若在该范围内卸载，则应力、应变仍按同一直线回到原点O，没有残留变形。如果将试件拉伸使其应力超过屈服点A，例如达到B点(σB、εB)，再逐渐卸下载荷，这时应力与应变则沿BC直线逐渐降低，而不再沿加载经过的路线BAO返回。卸载直线BC正好与加载时弹性变形的直线段平行，于是加载时的总应变εB就会在卸载后一部分(εt)因弹性回复而消失，另一部分(εs)仍然保留下来成为永久变形，即εB=εt+εs。弹性回复的应变量为：εt=σB/E(2-8)式中，E为材料的弹性模量。图2-5拉伸—卸载曲线上述卸载规律反映了弹塑性变形共存规律，即在塑性变形过程中不可避免地会有弹性变形存在。在实际冲压时，分离或成形后的冲压件的形状和尺寸与模具工作部分形状和尺寸不尽相同，就是因卸载规律引起的弹性回复(简称回弹)造成的，因此式(2-8)对我们考虑冲压成形时的回弹很有实际意义。如果卸载后再重新加载，则随着载荷的加大，应力应变的关系将沿直线CB逐渐上升，到达B点应力σB时，材料又开始屈服，按照应力应变关系继续沿着加载曲线BE变化，如图1-14中虚线所示，所以σB又可理解为材料在变形程度为εB时的屈服点。推而广之，在塑性变形阶段，硬化曲线上每一点的应力值都可理解为材料在相应变形程度下的屈服点。如果卸载后反向加载，即将试件先拉伸然后改为压缩，其应力应变关系将沿曲线OABCA′E′规律变化，如图1-6所示。试验表明，反向加载时应力应变之间基本按拉伸时的曲线规律变化，但材料的屈服点σs′较拉伸时的屈服点σs有所降低，这就是所谓的反载软化现象。反载软化现象对分析某些冲压工艺(如拉弯)很有实际意义。图2-6 反载软化曲线如果卸载后再重新加载，则随着载荷的加大，应力应变的关系将沿直线CB逐渐上升，到达B点应力σB时，材料又开始屈服，按照应力应变关系继续沿着加载曲线BE变化，如图中虚线所示，所以σB又可理解为材料在变形程度为εB时的屈服点。推而广之，在塑性变形阶段，硬化曲线上每一点的应力值都可理解为材料在相应变形程度下的屈服点。如果卸载后反向加载，即将试件先拉伸然后改为压缩，其应力应变关系将沿曲线OABCA′E′规律变化，如图1-6所示。试验表明，反向加载时应力应变之间基本按拉伸时的曲线规律变化，但材料的屈服点σs′较拉伸时的屈服点σs有所降低，这就是所谓的反载软化现象。反载软化现象对分析某些冲压工艺(如拉弯)很有实际意义。第二节冲压成形中的变形趋向性及其控制一、冲压成形中的变形趋向性一般情况下，总是可以把冲压过程中的坯料划分成为变形区和传力区。冲压设备施加的变形力通过模具，并进一步通过坯料传力区作用于变形区，使其发生塑性变形。如图1-7所示的拉深和缩口成形中，坯料的A区是变形区，B区是传力区，C区则是已变形区。由于变形区发生塑性变形所需的力是由模具通过传力区获得的，而同一坯料上的变形区和传力区都是相毗邻的，所以在变形区和传力区分界面上作用的内力性质和大小是完全相同的。在这样同一个内力的作用下，变形区和传力区都有可能产生塑性变形，但由于它们之间的尺寸关系及变形条件不同，其应力应变状态也不相同，因而它们可能产生的塑性变形方式及变形的先后是不相同的。通常，总有一个区需要的变形力比较小，并首先满足塑性条件进入塑性状态，产生塑性变形，我们把这个区称之为相对的弱区。如图1-7a所示的拉深变形，虽然变形区A和传力区B都受到径向拉应力σr作用，但A区比B区还多一个切向压应力σθ的作用，根据屈雷斯加塑性条件σ1-σ3≥σs，A区中σ1-σ3=σθ+σr，B区中σ1-σ3=σr，因σθ+σr＞σr，所以在外力F的作用下，变形区A最先满足塑性条件产生塑性变形，成为相对弱区。为了保证冲压过程的顺利进行，必须保证冲压工序中应该变形的部分(变形区)成为弱区，以便在把塑性变形局限于变形区的同时，排除传力区产生任何不必要的塑性变形的可能。由此可以得出一个十分重要的结论：在冲压成形过程中，需要最小变形力的区是个相对的弱区，而且弱区必先变形，因此变形区应为弱区。“弱区必先变形，变形区应为弱区”的结论，在冲压生产中具有很重要的实用意义。很多冲压工艺的极限变形参数的确定、复杂形状件的冲压工艺过程设计等，都是以这个道理作为分析和计算依据的。如图1-7a中的拉深变形，一般情况下A区是弱区而成为变形区，B区是传力区。但当坯料外径D太大、凸模直径d太小而使得A区凸缘宽度太大时，由于要使A区产生切向压缩变形所需的径向拉力很大，这时可能出现B区会因拉应力过大率先发生塑性变形甚至拉裂而成弱区。因此，为了保证A区成为弱区，应合理确定凸模直径与坯料外经的比值d/D(即拉深系数)，使得B区拉应力还未达到塑性条件以前，A区的应力先达到塑性条件而发生拉压塑性变形。当变形区或传力区有两种以上的变形方式时，则首先实现的变形方式所需的变形力最小。因此，在工艺和模具设计时，除要保证变形区为弱区外，同时还要保证变形区必须实现的变形方式具有最小的变形力。例如，在图1-16b所示的缩口成形过程中，变形区A可能产生的塑性变形是切向收缩的缩口变形和在切向压应力作用下的失稳起皱，传力区B可能产生的塑性变形是筒壁部分镦粗和失稳弯曲。在这四种变形趋向中，只有满足缩口变形所需的变形力最小这个条件(如通过选用合适的缩口系数d/D和在模具结构上采取增加传力区的支承刚性等措施)，才能使缩口变形正常进行。又如在冲裁时，在凸模压力的作用下，坯料具有产生剪切和弯曲两种变形趋向，如果采用较小的冲裁间隙，建立对弯曲变形不利(这时所需的弯曲力增大了)而对剪切有利的条件，便可在只发生很小的弯曲变形的情况下实现剪切，提高了冲件的尺寸精度。二、控制变形趋向性的措施在实际生产当中，控制坯料变形趋向性的措施主要以下几方面：(1)改变坯料各部分的相对尺寸 实践证明，变形坯料各部分的相对尺寸关系，是决定变形趋向性的最重要因素，因而改变坯料的尺寸关系，是控制坯料变形趋向性的有效方法。如图1-8所示，模具对环形坯料进行冲压时，当坯料的外径D、内径d0及凸模直径dT具有不同的相对关系时，就可能具有三种不同的变形趋向(即拉深、翻孔和胀形)，从而形成三种形状完全不同的冲件：当D、d0都较小，并满足条件D/dT＜1.5～2、d0/dT＜0.15时，宽度为(D-dT)的环形部分产生塑性变形所需的力最小而成为弱区，因而产生外径收缩的拉深变形，得到拉深件(见图1-8b)；当D、d0都较大，并满足条件D/dT＞2.5、d0/dp＜0.2～0.3时，宽度为(dT-d0)的内环形部分产生塑性变形所需的力最小而成为弱区，因而产生内孔扩大的翻孔变形，得到翻孔件(见图1-8c)；当D较大、d0较小甚至为0，并满足条件D/dT＞2.5、d0/dT＜0.15时，这时坯料外环的拉深变形和内环的翻孔变形阻力都很大，结果使凸、凹模圆角及附近的金属成为弱区而产生厚度变薄的胀形变形，得到胀形件(见图1-8d)。胀形时，坯料的外径和内孔尺寸都不发生变化或变化很小，成形仅靠坯料的局部变薄来实现。(2)改变模具工作部分的几何形状和尺寸 这种方法主要是通过改变模具的凸模和凹模圆角半径来控制坯料的变形趋向如在图1-8a中，如果增大凸模圆角径rT、减小凹模圆角半径rT，可使翻孔变形的阻力减小，拉深变形阻力增大，所以有利于翻孔变形的实现。反之，如果增大凹模圆角半径而减小凸模圆角半径，则有利于拉深变形的实现。(3)改变坯料与模具接触面之间的摩擦阻力 如在图1-8中，若加大坯料与压料圈及坯料与凹模端面之间的摩擦力(如加大压力FY或减少润滑)，则由于坯料从凹模面上流动的阻力增大，结果不利于实现拉深变形而利于实现翻孔或胀形变形。如果增大坯料与凸模表面间的摩擦力，并通过润滑等方法减小坯料与凹模和压料圈之间的摩擦力，则有利于实现拉深变形。所以正确选择润滑及润滑部位，也是控制坯料变形趋向的重要方法。(4)改变坯料局部区域的温度 这种方法主要是通过局部加热或局部冷却来降低变形区的变形抗力或提高传力区强度，从而实现对坯料变形趋向的控制。例如，在拉深和缩口时，可采用局部加热坯料变形区的方法，使变形区软化，从而利于拉深或缩口变形。又如在不锈钢零件拉深时，可采用局部深冷传力区的方法来增大其承载能力，从而达到增大变形程度的目的。第三节冷冲压材料及其性能冷冲压所用的材料是冷冲压生产的三要素之一。事实上，先进的冷冲压工艺与模具技术，只有采用冲压性能良好的材料，才能成形出高质量的冲压件。因此，在冷冲压工艺及模具设计中，懂得合理选用材料，并进一步了解材料的冲压成形性能，是非常必要的。一、材料的冲压成形性能材料对各种冲压成形方法的适应能力称为材料的冲压成形性能。材料的冲压成形性能好，就是指其便于冲压成形，单个冲压工序的极限变形程度和总的极限变形程度大，生产率高，容易得到高质量的冲压件，且模具损耗低，不易出废品等。由此可见，冲压成形性能是一个综合性的概念，它涉及的因素很多，但就其主要来看，有两个方面：一是成形极限，二是成形质量。1．成形极限成形极限：是指材料在冲压成形过程中能达到的最大变形程度。对于不同的冲压工序，成形极限是采用不同的极限变形系数来表示的。当作用于坯料变形区的拉应力为绝对值最大的应力时，在这个方向上的变形一定是伸长变形，故称这种冲压变形为伸长类变形，如胀形、扩口、圆孔翻孔等；当作用于坯料变形区的压应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是压缩变形，故称这种冲压变形为压缩类变形，如拉深、缩口等。在伸长类变形中，变形区的拉应力占主导地位，坯料厚度变薄，表面积增大，有产生破裂的可能性；在压缩类变形中，变形区的压应力占主导地位，坯料厚度增厚，表面积减小，有产生失稳起皱的可能性。由于这两类变形的变形性质和出现的问题完全不同，因而影响成形极限的因素和提高极限变形参数的方法就不同。伸长类变形的极限变形参数主要决定于材料的塑性，压缩类变形的极限变形参数一般受传力区承载能力的限制，有时则受变形区或传力区失稳起皱的限制。所以提高伸长类变形的极限变形参数的方法有：提高材料塑性；减少变形的不均匀性；消除变形区的局部硬化或其他引起应力集中而可能导致破坏的各种因素，如去毛剌或坯料退火处理等。提高压缩类变形的极限变形系数的方法有：提高传力区的承载能力，降低变形区的变形抗力或摩擦阻力；采取压料等措施防止变形区失稳起皱等。2．成形质量成形质量：是指材料经冲压成形以后所得到的冲压件能够达到的质量指标，包括尺寸精度、厚度变化、表面质量及物理力学性能等。影响冲压件质量的因素很多，不同冲压工序的情况又各不相同，这里只对一些共性问题作简要说明。材料在塑性变形的同时总伴随着弹性变形，当冲压结束载荷卸除以后，由于材料的弹性回复，造成冲件的形状与尺寸偏离模具工作部分的形状与尺寸，从而影响了冲件的尺寸和形状精度。因此，为了提高冲件的尺寸精度，必须掌握回弹规律，控制回弹量。材料经过冲压成形以后，一般厚度都会发生变化，有的变厚，有的减薄。厚度变薄后直接影响冲件的强度和使用，因此对强度有要求时，往往要限制其最大变薄量。材料经过塑性变形以后，除产生加工硬化现象外，还由于变形不均匀，材料内部将产生残余应力，从而引起冲件尺寸和形状的变化，严重时还会引起冲件的自行开裂。消除硬化及残余应力的方法是冲压后及时安排热处理退火工序。二、板料的冲压成形性能试验板料的冲压成形性能是通过试验来确定的。板料冲压成形性能的试验方法很多，但概括起来可分为直接试验和间接试验两类。在直接试验中，板料的应力状态和变形情况与实际冲压时基本相同，试验所得结果比较准确。而在间接试验中，板料的受力情况和变形特点都与实际冲压时有一定的差别，所得结果只能在分析的基础上间接地反映板料的冲压成形性能。1．间接试验间接试验有拉伸试验、剪切试验、硬度试验和金相试验等。其中拉伸试验简单易行，不需专用板料试验设备，而且所得的结果能从不同角度反映板料的冲压性能，所以它是一种很重要的试验方法。通过拉伸试验，可以测得板料的强度、刚度、塑性、各向异性等力学性能指标。根据这些性能指标，即可定性估计板料的冲压成形性能，现简述如下：(1)强度指标（屈服点σs、抗拉强度σb或缩颈点应力σj） 强度指标对冲压成形性能的影响通常用屈服点与抗拉强度的比值σs/σb(称为屈强比)来表示。一般屈强比愈小，则σs与σb之间的差值愈大，表示材料允许的塑性变形区间愈大，成形过程的稳定性愈好，破裂的危险性就愈小，因而有利于提高极限变形程度，减小工序次数。因此，σs/σb愈小，材料的冲压成形性能愈好。(2)刚度指标（弹性模量E、硬化指数n） 弹性模量E愈大或屈服点与弹性模量的比值σs/E（称为屈弹比）愈小，在成形过程中抗压失稳的能力愈强，卸载后的回弹量小，有利于提高冲件的质量。硬化指数n可根据拉伸试验结果求得。n值大的材料，硬化效应就大，这对于伸长类变形来说是有利的。因为n值愈大，在变形过程中材料局部变形程度的增加会使该处变形抗力增大，这样就可以补偿该处因截面积减小而引起的承载能力的减弱，制止了局部集中变形的进一步发展，具有扩展变形区、使变形均匀化和增大极限变形程度的作用。(3)塑性指标（均匀伸长率δj或细颈点应变εj、断后伸长率δ或断裂收缩率Ψ）均匀伸长率δj是在拉伸试验中开始产生局部集中变形（即刚出现缩颈时）的伸长率(即相对应变)，它表示板料产生均匀变形或稳定变形的能力。一般情况下，冲压成形都在板料的均匀变形范围内进行，故δj对冲压性能有较为直接的意义。断后伸长率δ是在拉伸试验中试样拉断时的伸长率。通常δj和δ愈大，材料允许的塑性变形程度也愈大。(4)各向异性指标（板厚方向性系数r、板平面方向性系数Δr） 板厚方向系数r是指板料试样拉伸时，宽度方向与厚度方向的应变之比，即                     (2-9)式中，b0、b、t0、t分别为变形前后试件的宽度与厚度。r值的大小反映了在相同受力条件下板料平面方向与厚度方向的变形性能差异，r值越大，说明板平面方向上越容易变形，而厚度方向上越难变形，这对拉深成形是有利的。如在复杂形状的曲面零件拉深成形时，若r值大，板料中部在拉应力作用下，厚度方向变形较困难，则变薄量小，而在板平面与拉应力相垂直的方向上的压缩变形比较容易，则板料中部起皱的趋向性降低，因而有利于拉深的顺利进行和冲压件质量的提高。由于板料经轧制后晶粒沿轧制方向被拉长，使平行于纤维方向和垂直于纤维方向材料的力学性能不同，因此在板平面上存在各向异性，其程度一般用板厚方向性系数在几个特殊方向上的平均差值Δr（称为板平面方向性系数）来表示，即Δr=(r0+r90-2r45)/2                    (2-10)式中，r0、r90、r45分别为板料的纵向（轧制方向）、横向及45°方向上的板厚方向性系数。Δr值越大，则方向性越明显，对冲压成形性能的影响也越大。例如弯曲，当弯曲件的折弯线与板料纤维方向垂直时，允许的极限变形程度就大，而当折弯线平行于纤维方向时，允许的极限变形程度就小，且方向性越明显，差异就越大。由此可见，生产中应尽量设法降低板料的Δr值。由于存在板平面方向性，实际应用中板厚方向性系数一般也采用加权平均值来表示，即=(r0+r90+2r45)/4                      (2-11)2．直接试验三、对冲压材料的基本要求冲压所用的材料，不仅要满足冲压件的使用要求，还应满足冲压工艺的要求和后续加工（如切削加工、电镀、焊接等）的要求。冲压工艺对材料的基本要求主要是：1．具有良好的冲压成形性能对于成形工序，为了有利于冲压变形和冲压件质量的提高，材料应具有良好的冲压成形性能，即应具有良好的塑性(均匀伸长率δj高)，屈强比σs/σb和屈弹比σs/E小，板厚方向性系数r大，板平面方向性系数Δr小。对于分离工序，只要求材料有一定的塑性，而对材料的其他成形性能指标没有严格的要求。2．具有较高的表面质量材料的表面应光洁平整，无氧化皮、裂纹、锈斑、划伤、分层等缺陷。因为表面质量好的材料，成形时不易破裂，也不易擦伤模具，冲件的表面质量也好。3．材料的厚度公差应符合国家因为一定的模具间隙适用于一定厚度的材料，若材料的厚度公差太大，不仅直接影响冲件的质量，还可能导致模具或压力机的损坏。四、冲压常用材料及选用1．冲压常用材料冲压生产中最常用的材料是金属材料（包括黑色金属和有色金属），但有时也用非金属材料。非金属材料只适宜于分离工序。冲压用金属材料的供应状态一般是各种规格的板料和带料。板料的尺寸较大，可用于大型零件的冲压，也可将板料按排样尺寸剪裁成条料后用于中小型零件的冲压；带料（又称卷料）有各种规格的宽度，展开长度可达几十米，成卷状供应，适应于大批量生产的自动送料。材料厚度很小时也是做成带料供应。 对于厚度在4mm以下的轧制钢板，根据国家标准GB/T708一1991规定，钢板厚度的精度分为A（高级精度）、B（较高级精度）、C（普通精度）三级。对优质碳素结构冷轧薄钢板，根据国家标准GB/T710一1991规定，钢板的表面质量可分为Ⅰ（特别高级的精整表面）、Ⅱ（高级的精整表面）、Ⅲ（较高级的精整表面）、Ⅳ（普通的精整表面）四组，每组按拉深级别又分为Z（最深拉深）、S(深拉深)、P（普通拉深）三级。在冲压工艺资料和图样上，对材料的表示方法有特殊的规定。如材料为08钢、厚度为1.0mm、平面尺寸为1000mm×1500mm、较高级精度、较高级的精整表面、深拉深级的优质碳素结构钢冷轧钢板表示为：钢板关于材料的牌号、规格和性能，可查阅有关设计资料和标准。2．冲压材料的合理选用冲压材料的选用要考虑冲压件的使用要求、冲压工艺要求及经济性等。(1)按冲压件的使用要求合理选材(2)按冲压工艺要求合理选材 (3)按经济性要求合理选材